(57)【要約】【課題】燃焼機関のエミッション性能を確保しつつ、排気触媒の劣化防止と排気熱の回収量増加を図る。【解決手段】作動ガスを圧縮する第１圧縮機１０，排気経路１００上の排気触媒１０１の上流側で排気熱を圧縮作動ガスに吸熱させる第１熱交換器２０，その作動ガスの膨張により押動されるピストン３２を備えた第１膨張機３０及びピストン３２に連動する第１出力軸４０を有する前段排気熱回収手段１Ａと、作動ガスを圧縮する第２圧縮機，排気経路１００上の排気触媒１０１の下流側で排気熱を圧縮作動ガスに吸熱させる第２熱交換器２０，その作動ガスの膨張により押動されるピストン３２を備えた第２膨張機３０及びピストン３２に連動する第２出力軸４０を有する後段排気熱回収手段１Ｂと、前段排気熱回収手段１Ａと後段排気熱回収手段１Ｂとの間の出力比を可変制御する前後段出力比可変手段（前段出力調節手段５１，後段出力調節手段５２）とを備えること。【選択図】        図１
2007291993.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
作動ガスを圧縮する第１圧縮機，燃焼機関の排気経路上における当該燃焼機関の排気触媒の上流側に配置して当該燃焼機関の排気熱を前記第１圧縮機で圧縮された作動ガスに吸熱させる第１熱交換器，該第１熱交換器で吸熱された作動ガスの膨張により押動されるピストンを備えた第１膨張機，及び当該第１膨張機のピストンの動きに連動する第１出力軸を有する前段排気熱回収手段と、
作動ガスを圧縮する第２圧縮機，前記排気経路上における前記排気触媒の下流側に配置して前記燃焼機関の排気熱を前記第２圧縮機で圧縮された作動ガスに吸熱させる第２熱交換器，該第２熱交換器で吸熱された作動ガスの膨張により押動されるピストンを備えた第２膨張機，及び当該第２膨張機のピストンの動きに連動する第２出力軸を有する後段排気熱回収手段と、
前記前段排気熱回収手段と前記後段排気熱回収手段との間の出力比を可変制御する前後段出力比可変手段と、
を備えたことを特徴とする熱エネルギ回収装置。
【請求項２】
前記前後段出力比可変手段は、前記排気触媒の触媒担体温度に応じて前記出力比を可変制御すべく構成したことを特徴とする請求項１記載の熱エネルギ回収装置。
【請求項３】
前記前後段出力比可変手段は、前記触媒担体温度が活性温度に達していないときに前記前段排気熱回収手段の出力を低下させるべく前記出力比を可変制御し、前記触媒担体温度が活性温度に達しているときに前記前段排気熱回収手段の出力を増加させるべく前記出力比を可変制御するよう構成したことを特徴とする請求項２記載の熱エネルギ回収装置。
【請求項４】
前記前後段出力比可変手段は、前記第１出力軸の回転数を制御して前記前段排気熱回収手段の出力調節を行う前段出力調節手段と、前記第２出力軸の回転数を制御して前記後段排気熱回収手段の出力調節を行う後段出力調節手段と、該前段出力調節手段及び後段出力調節手段を制御して前記出力比の可変制御を実行する制御手段と、を備えたことを特徴とする請求項１，２又は３に記載の熱エネルギ回収装置。
【請求項５】
前記前段出力調節手段及び前記後段出力調節手段は、前記第１出力軸及び前記第２出力軸に各々連接されたモータ，ジェネレータ又はモータジェネレータであることを特徴とした請求項４記載の熱エネルギ回収装置。
【請求項６】
前記前後段出力比可変手段は、前記第１出力軸の回転数と前記第２出力軸の回転数の比を変速比に応じて調節する変速機と、該変速機の変速比を制御して前記出力比の可変制御を実行する制御手段と、を備えたことを特徴とする請求項１，２又は３に記載の熱エネルギ回収装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱交換器で吸熱した熱エネルギを機械エネルギに変換する熱エネルギ回収装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、熱エネルギを機械エネルギに変換する熱サイクル機関が存在する。例えば、この種の熱サイクル機関としては、下記の特許文献１，２に開示されたブレイトンサイクル機関が知られている。そのブレイトンサイクル機関とは、吸入した作動ガスを断熱圧縮する圧縮機と、この圧縮機で断熱圧縮された作動ガスに高温流体の熱を等圧力で吸熱させる熱交換器と、この熱交換器で等圧受熱された作動ガスを断熱膨張させる膨張機とを備え、その膨張力を利用して出力軸たるクランクシャフトから出力を取り出すものである。
【０００３】
このように、熱サイクル機関とは、高温流体の熱エネルギを利用して出力を得るものであり、その高温流体の熱エネルギを回収する熱エネルギ回収装置として構築される。例えば、この熱エネルギ回収装置の一例としては、内燃機関から排出された排気ガスを高温流体として利用した内燃機関の排気熱回収装置がある。
【０００４】
尚、下記の特許文献３には、内燃機関の排気触媒の下流側にスクロール膨張機を配備した技術が開示されている。
【０００５】
【特許文献１】特開平６−２５７４６２号公報
【特許文献２】特開２００５−３２５７１１号公報
【特許文献３】特開２００３−１３８９３３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、上述した熱エネルギ回収装置を内燃機関の排気熱回収装置として構築する場合には、その内燃機関の排気経路上に熱交換器を配設するのが一般的である。しかしながら、その熱交換器を排気経路上の何れの位置に配置するかによっては、内燃機関のエミッション性能の悪化や熱エネルギ回収装置における排気熱の回収量の低下が懸念される。即ち、内燃機関の排気経路上には排気ガス浄化用の排気触媒を配設しているが、その排気触媒に対して熱交換器を排気ガスの流れ方向から見て上流側に配置するか下流側に配置するかによっては、内燃機関のエミッション性能と熱エネルギ回収装置における排気熱の回収量という以下の如き二律背反する課題が生じてしまう。
【０００７】
例えば、熱交換器を排気経路上における排気触媒の下流に配置した場合には、高温の排気ガスが熱交換器よりも先に排気触媒を通過するので、排気触媒を活性温度まで早い段階で昇温させ、排気ガス中のＨＣ成分の浄化性能を向上させることができる。その反面、かかる場合には、排気ガスの排気熱が排気触媒で大量に奪われてしまうので、熱交換器で作動ガスに吸熱させ得る排気熱が低くなり、その回収量が少なくなってしまう。また、高温の排気ガスが先に排気触媒を通過するので、この排気触媒は、触媒担体温度が高くなり過ぎて劣化してしまう虞もある。
【０００８】
一方、熱交換器を排気経路上における排気触媒の上流に配置した場合には、高温の排気ガスを排気触媒よりも先に熱交換器へと流入させることができるので、その排気熱の回収量の増加が可能になる。その反面、かかる場合には、排気ガスの排気熱が熱交換器で大量に奪われてしまうので、排気触媒が活性温度へと到達するまでの時間が長くなり、それまでは排気ガス中のＨＣ成分を浄化できずに大気へと放出してしまう。
【０００９】
そこで、本発明は、かかる従来例の有する不都合を改善し、燃焼機関のエミッション性能を確保しつつ、排気触媒の劣化を防止しながら排気熱の回収量を増加させることが可能な熱エネルギ回収装置を提供することを、その目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記目的を達成する為、請求項１記載の発明では、燃焼機関の排気触媒を中心とした排気経路上の上下流に夫々前段排気熱回収手段と後段排気熱回収手段とを備え、更に、その前段排気熱回収手段と後段排気熱回収手段との間の出力比を可変制御する前後段出力比可変手段を備えている。ここで、その前段排気熱回収手段とは、作動ガスを圧縮する第１圧縮機，排気経路上における排気触媒の上流側に配置して燃焼機関の排気熱を第１圧縮機で圧縮された作動ガスに吸熱させる第１熱交換器，この第１熱交換器で吸熱された作動ガスの膨張により押動されるピストンを備えた第１膨張機，及び第１膨張機のピストンの動きに連動する第１出力軸を有している。また、その後段排気熱回収手段とは、作動ガスを圧縮する第２圧縮機，燃焼機関の排気経路上における排気触媒の下流側に配置して燃焼機関の排気熱を第２圧縮機で圧縮された作動ガスに吸熱させる第２熱交換器，この第２熱交換器で吸熱された作動ガスの膨張により押動されるピストンを備えた第２膨張機，及び第２膨張機のピストンの動きに連動する第２出力軸を有している。
【００１１】
この請求項１記載の熱エネルギ回収装置は、前段排気熱回収手段と後段排気熱回収手段との間の出力比，換言すれば第１出力軸の回転数と第２出力軸の回転数の比を可変させることによって、排気触媒の触媒担体温度と燃焼機関の排気熱の回収量を調節することができる。
【００１２】
即ち、その前後段出力比可変手段は、請求項２記載の発明の如く、排気触媒の触媒担体温度に応じて前段排気熱回収手段と後段排気熱回収手段との間の出力比が可変制御されるよう構成する。これにより、この熱エネルギ回収装置においては、第１出力軸の回転数を低下させることによって排気ガスを高温のまま排気触媒に流入させることができるので、その触媒担体温度を活性温度まで上昇させ易くなる。また、この熱エネルギ回収装置においては、第１出力軸の回転数を上昇させることによって、前段排気熱回収手段での排気熱の回収量を増加させることができ、更に、その際の排気熱の吸熱に伴って排気ガスの温度が低下するので下流の排気触媒の熱害による劣化を防止することができる。
【００１３】
具体的に、この前後段出力比可変手段は、請求項３記載の発明の如く、触媒担体温度が活性温度に達していないときに前段排気熱回収手段の出力を低下させるべく出力比を可変制御し、触媒担体温度が活性温度に達しているときに前段排気熱回収手段の出力を増加させるべく出力比を可変制御するよう構成する。
【００１４】
ここで、その前後段出力比可変手段は、請求項４記載の発明の如く、第１出力軸の回転数を制御して前段排気熱回収手段の出力調節を行う前段出力調節手段と、第２出力軸の回転数を制御して後段排気熱回収手段の出力調節を行う後段出力調節手段と、その前段出力調節手段及び後段出力調節手段を制御して出力比の可変制御を実行する制御手段と、を備えて構成することができる。例えば、その前段出力調節手段及び後段出力調節手段としては、請求項５記載の発明の如く、第１出力軸及び第２出力軸に各々連接されたモータ，ジェネレータ又はモータジェネレータを利用することができる。
【００１５】
また、その前後段出力比可変手段は、請求項６記載の発明の如く、第１出力軸の回転数と第２出力軸の回転数の比を変速比に応じて調節する変速機と、この変速機の変速比を制御して出力比の可変制御を実行する制御手段と、を備えて構成することができる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明に係る熱エネルギ回収装置は、前段排気熱回収手段と後段排気熱回収手段との間の出力比を調節することによって排気触媒が適度な触媒担体温度に制御されるので、燃焼機関のエミッション性能を確保することができると共に、熱害による排気触媒の劣化を防止することができ、更に、そのエミッション性能等を鑑みた上で可能な限り多くの排気熱を回収することができる。即ち、本発明に係る熱エネルギ回収装置によれば、燃焼機関のエミッション性能を確保しつつ、排気触媒の劣化を防止しながら排気熱の回収量を増加させることができ、前段排気熱回収手段と後段排気熱回収手段とを合わせた熱エネルギ回収装置全体の出力を増加させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下に、本発明に係る熱エネルギ回収装置の実施例を図面に基づいて詳細に説明する。尚、この実施例によりこの発明が限定されるものではない。
【実施例１】
【００１８】
本発明に係る熱エネルギ回収装置の実施例１を図１から図３に基づいて説明する。
【００１９】
本実施例１の熱エネルギ回収装置は、高温流体の熱を利用して作動ガスを断熱圧縮→等圧受熱→断熱膨張→等圧放熱させて動力を得るブレイトンサイクル機関であって、吸入した作動ガスを断熱圧縮する圧縮機１０と、この圧縮機１０にて断熱圧縮された作動ガスに高温流体の熱を等圧力で吸熱させる熱交換器２０と、この熱交換器２０で等圧受熱された作動ガスを断熱膨張させる膨張機３０と、この膨張機３０の断熱膨張に伴って回転する出力軸たるクランクシャフト４０とを備えている。
【００２０】
この熱エネルギ回収装置においては、図２−１のＰ−Ｖ線図や図２−２のＴ−ｓ線図に示す如く、圧力Ｐ１の作動ガスが圧縮機１０に吸入され、この圧縮機１０にて圧力Ｐ１，体積Ｖ１（＝Ｖcomp），温度Ｔ１，エントロピｓ１の作動ガスを断熱圧縮する。しかる後、この断熱圧縮された圧力Ｐ２，体積Ｖ２，温度Ｔ２，エントロピｓ１の作動ガスが熱交換器２０へと送出され、この熱交換器２０にて高温流体と等圧受熱される。そして、その等圧受熱された圧力Ｐ２，体積Ｖ３，温度Ｔ３，エントロピｓ２の作動ガスが膨張機３０へと流入して断熱膨張を行い、その断熱膨張後の圧力Ｐ１，体積Ｖ４，温度Ｔ４，エントロピｓ２の作動ガスが膨張機３０から排出（等圧放熱）される。
【００２１】
先ず、この熱エネルギ回収装置に用いる圧縮機１０について説明する。
【００２２】
本実施例１の圧縮機１０は、容積Ｖcompが一定のシリンダ１１と、このシリンダ１１内を往復運動するピストン１２とを備えている。このピストン１２は、コネクティングロッド１３を介してクランクシャフト４０に連結される。
【００２３】
また、この圧縮機１０には、作動ガス（例えば、ここでは空気）をシリンダ１１内に導く作動ガス吸入通路１４と、そのシリンダ１１内でピストン１２により断熱圧縮された作動ガスを熱交換器２０の後述する作動ガス通路２２へと導く作動ガス排出通路１５とが設けられており、その夫々に吸気側開閉弁１６と排気側開閉弁１７が配備されている。
【００２４】
ここで、その吸気側開閉弁１６としては、作動ガス吸入通路１４とシリンダ１１内の圧力差により作動ガスをシリンダ１１内に流入させる一方、その作動ガスの作動ガス吸入通路１４への逆流を防ぐ逆止弁を用いる。また、排気側開閉弁１７としては、作動ガス排出通路１５とシリンダ１１内の圧力差により断熱圧縮後の作動ガスを熱交換器２０の作動ガス通路２２に流入させる一方、シリンダ１１内への逆流を防ぐ逆止弁を用いる。
【００２５】
続いて、この熱エネルギ回収装置に用いる熱交換器２０について説明する。
【００２６】
本実施例１の熱交換器２０は、高温流体が流れる高温流体通路２１と、圧縮機１０で断熱圧縮された作動ガスが流れる作動ガス通路２２とを備えている。その高温流体通路２１と作動ガス通路２２については、作動ガスへの吸熱効率（熱交換器効率）を高める為に高温流体の流れ方向と作動ガスの流れ方向とが逆になるよう配置することが好ましい。
【００２７】
続いて、この熱エネルギ回収装置に用いる膨張機３０について説明する。
【００２８】
本実施例１の膨張機３０は、容積Ｖexp（ここではＶexp≧Ｖcomp）が一定のシリンダ３１と、このシリンダ３１内を往復運動するピストン３２とを備えている。このピストン３２は、コネクティングロッド３３を介して圧縮機１０と同一のクランクシャフト４０に連結される。
【００２９】
また、この膨張機３０には、熱交換器２０で等圧受熱された作動ガスをシリンダ３１内に導く作動ガス吸入通路３４と、断熱膨張後の作動ガスをシリンダ３１の外に導く作動ガス排出通路３５とが設けられており、その夫々に吸気側開閉弁３６と排気側開閉弁３７が配備されている。その吸気側開閉弁３６及び排気側開閉弁３７としては、例えばチェーンやスプロケット等を介することによりクランクシャフト４０の回転に同期して開閉動作を行う回転同期弁を用いることができる。
【００３０】
本実施例１の熱エネルギ回収装置においては、熱交換器２０を図示しない燃焼機関（ここでは、炭化水素系燃料を燃焼させることによって動力を発生させる内燃機関について例示する。）の排気経路１００上に配置して、この排気経路１００と連通させた熱交換器２０の高温流体通路２１に高温流体としての排気ガスを流入させる。即ち、本実施例１にあっては、上述した圧縮機１０，熱交換器２０及び膨張機３０等の各種構成部品によって燃焼機関の排気熱の回収手段（以下、「排気熱回収手段」という。）が構築され、これを以て熱エネルギ回収装置を構成する。
【００３１】
本実施例１にあっては、その排気ガスの排気熱を排気経路１００上に配備されている排気触媒１０１の前後で回収させる。これが為、本実施例１の熱エネルギ回収装置においては、図１に示す如く、排気ガスの流れに対して排気触媒１０１の上流側で排気熱の回収を行う前段側の排気熱回収手段（以下、「前段排気熱回収手段」という。）１Ａと、排気ガスの流れに対して排気触媒１０１の下流側で排気熱の回収を行う後段側の排気熱回収手段（以下、「後段排気熱回収手段」という。）１Ｂとを用意する。
【００３２】
これら前段排気熱回収手段１Ａと後段排気熱回収手段１Ｂは、図１に示す如く夫々に同様の構成部品によって構築されている。以下においては、便宜上、前段排気熱回収手段１Ａにおける圧縮機１０，熱交換器２０，膨張機３０及びクランクシャフト４０を夫々第１圧縮機１０，第１熱交換器２０，第１膨張機３０及び第１クランクシャフト（第１出力軸）４０ともいい、後段排気熱回収手段１Ｂにおける圧縮機１０，熱交換器２０，膨張機３０及びクランクシャフト４０を夫々第２圧縮機１０，第２熱交換器２０，第２膨張機３０及び第２クランクシャフト（第２出力軸）４０ともいう。
【００３３】
その前段排気熱回収手段１Ａは、排気経路１００上における排気触媒１０１の上流側に第１熱交換器２０を配置し、この第１熱交換器２０にて第１圧縮機１０からの断熱圧縮後の作動ガスに排気熱を入熱させ、これを第１膨張機３０で断熱膨張させて第１クランクシャフト４０に出力トルクを発生させる。一方、後段排気熱回収手段１Ｂは、排気経路１００上における排気触媒１０１の下流側に第２熱交換器２０を配置し、この第２熱交換器２０にて第２圧縮機１０からの断熱圧縮後の作動ガスに排気熱を入熱させ、これを第２膨張機３０で断熱膨張させて第２クランクシャフト４０に出力トルクを発生させる。
【００３４】
ここで、排気ガスは排気経路１００上での流動に伴って熱を奪われるので、その前に排気ガスを第１熱交換器２０の高温流体通路２１へと流入させることが好ましく、これにより前段排気熱回収手段１Ａにおいて排気ガスの排気熱を有効活用することができる。
【００３５】
そこで、本実施例１にあっては、排気ガスをより高温の状態で高温流体通路２１に流入させるべく、第１熱交換器２０を可能な限り排気経路１００における燃焼機関の燃焼室側に近づけて配置することが好ましい。例えば、第１熱交換器２０は、排気マニホルドの集合部分等に配置する。これにより、本実施例１にあっては、燃焼機関から排出された排気ガスが排出後の高温状態を保ったままで第１熱交換器２０の高温流体通路２１へと流入するので、断熱圧縮後の作動ガスへの入熱量が増加する。従って、この前段排気熱回収手段１Ａにおいては、排気ガスの流動に伴う温度低下を低減することができるので、効率の良い排気熱の回収が可能になる。
【００３６】
また、この前段排気熱回収手段１Ａにおいては、第１熱交換器２０を排気触媒１０１よりも上流側の排気経路１００上に配置している。これが為、本実施例１にあっては、排気ガスが排気触媒１０１で吸熱されずに第１熱交換器２０へと流入するので、断熱圧縮後の作動ガスへの入熱量を増加させることができる。従って、この前段排気熱回収手段１Ａにおいては、第１熱交換器２０の高温流体通路２１を通過する前に排気ガスの排気熱が大量に奪われることがなくなり、その排気熱の回収量を増加させることができる。
【００３７】
ところで、この前段排気熱回収手段１Ａは第１熱交換器２０を排気触媒１０１よりも上流側に配置しているので、その排気触媒１０１には第１熱交換器２０で吸熱されて温度低下した排気ガスが流入する。これが為、燃焼機関の始動直後等のように排出直後の排気ガスの温度がそもそも低温の場合には、第１熱交換器２０を通過した後の排気ガスの温度は更に低下するので、排気触媒１０１を触媒活性温度にまで上昇させるのに時間を要してしまい、排気ガスの浄化が促進されずにエミッション性能が悪化してしまう。本実施例１にあっては、炭化水素系燃料が燃焼室で燃焼されるので、排気ガス中のＨＣ（炭化水素）成分が排気触媒（三元触媒）１０１で浄化されずに大気へと放出されてしまう。
【００３８】
従って、本実施例１にあっては、排気触媒１０１の触媒担体温度が活性温度に達していない場合に、前段排気熱回収手段１Ａを出力低下又は停止させることにより第１熱交換器２０においての作動ガスへの入熱量を減じて、その下流の排気触媒１０１に温度の高い排気ガスを流入させる。これにより、かかる場合であっても、その排気触媒１０１の触媒担体温度を活性温度まで早く上昇させることができるので、排気ガスの浄化が促進されてエミッション性能が向上する。
【００３９】
一方、そのように前段排気熱回収手段１Ａを出力低下又は停止させると、この前段排気熱回収手段１Ａにおいての排気熱の回収量が低下してしまう又は無くなってしまうので、熱エネルギ回収装置全体での排気熱の回収量を大幅に低下させてしまう。ここで、後段排気熱回収手段１Ｂの第２熱交換器２０は、排気触媒１０１よりも下流側に配置されているので、その触媒担体温度の変化に影響を与えることはない。これが為、その第２熱交換器２０の熱交換容量に余裕があり、そして、排気触媒１０１の触媒担体温度が活性温度に達しておらず、これ故に上記の如く前段排気熱回収手段１Ａを出力低下又は停止させるときには、後段排気熱回収手段１Ｂの出力を上昇（即ち、高回転化）させることによって排気熱の回収量を増加させ、熱エネルギ回収装置全体での排気熱の回収量の大幅な低下を抑制することができる。
【００４０】
そこで、本実施例１にあっては、図１に示す如く、前段排気熱回収手段１Ａの出力を調節可能な前段出力調節手段５１と、後段排気熱回収手段１Ｂの出力を調節可能な後段出力調節手段５２とを設ける。その前段出力調節手段５１は、第１クランクシャフト４０の回転数を増減させて前段排気熱回収手段１Ａの出力調節を行うものであり、また、後段出力調節手段５２は、第２クランクシャフト４０の回転数を増減させて後段排気熱回収手段１Ｂの出力調節を行うものである。
【００４１】
例えば、その前段出力調節手段５１や後段出力調節手段５２としては、夫々の第１クランクシャフト４０や第２クランクシャフト４０に連接されたモータ，ジェネレータ又はモータジェネレータ等を利用することができる。この種の前段出力調節手段５１及び後段出力調節手段５２においては、モータの出力等を調節することによってクランクシャフト４０に掛かる負荷の調節が可能になり、これに伴いクランクシャフト４０の回転数を増減させることができる。
【００４２】
ここで、これら前段出力調節手段５１及び後段出力調節手段５２の動作は、その制御手段たる図１に示す電子制御装置（ＥＣＵ）６０によって制御される。例えば、本実施例１の電子制御装置６０は、排気触媒１０１の触媒担体温度に応じて前段出力調節手段５１や後段出力調節手段５２の動作制御を実行させる。従って、その排気触媒１０１には、触媒担体の床温を検出可能な温度センサ１０２が配設されている。
【００４３】
以下に、本実施例１の熱エネルギ回収装置の動作について図３のフローチャートに基づき詳述する。
【００４４】
先ず、電子制御装置６０は、温度センサ１０２の検出信号から排気触媒１０１の触媒担体温度を検出し（ステップＳＴ１）、その触媒担体温度が活性温度以上か否かについて判定する（ステップＳＴ２）。
【００４５】
ここで、この電子制御装置６０は、そのステップＳＴ２にて否定判定が為された場合、前段排気熱回収手段１Ａにおける第１クランクシャフト４０の回転数が「０」か否か（即ち、前段排気熱回収手段１Ａがブレイトンサイクル機関として作動しているか否か）判定する（ステップＳＴ３）。
【００４６】
そして、この電子制御装置６０は、そのステップＳＴ３にて否定判定されたときには前段出力調節手段５１を制御して第１クランクシャフト４０への負荷を増大させ、この第１クランクシャフト４０の回転数を低下させる（ステップＳＴ４）。この場合、その第１クランクシャフト４０の回転数は、例えば、排気触媒１０１の触媒担体温度と活性温度の乖離幅に応じて活性温度に達することが可能な値にまで低下させてもよく、また、予め定めた所定の減少量で低下させ、本フローチャートの処理を繰り返すことにより活性温度に達することが可能な値へと徐々に低下させてもよい。更に、この第１クランクシャフト４０の回転数は、一度の処理動作で「０」にまで低下させてもよい。
【００４７】
これにより、第１熱交換器２０の作動ガス通路２２を流れる作動ガスの流動量が減少するので、この第１熱交換器２０においての排気ガスからの時間当たりの入熱量が減少し、かかる第１クランクシャフト４０の回転数制御を実行する前よりも高温の排気ガスを排気触媒１０１に流入させることができる。従って、燃焼機関においては、その排気触媒１０１の触媒担体温度が上昇し易くなり、排気ガス中のＨＣ成分の浄化促進に伴いエミッション性能を向上させることができる。
【００４８】
この電子制御装置６０は、その後に上記ステップＳＴ１に戻って本フローチャートの処理を繰り返す。
【００４９】
一方、電子制御装置６０は、上記ステップＳＴ３にて肯定判定されたときには前段排気熱回収手段１Ａの停止状態を保持させたまま（ステップＳＴ５）、上記ステップＳＴ１に戻る。これにより、排気ガスは、その温度が第１熱交換器２０で奪われることなく排気触媒１０１に流入し続ける。従って、燃焼機関においては、その排気触媒１０１の触媒担体温度を上昇させ易い状態が維持されるので、排気ガス中のＨＣ成分の浄化促進に伴うエミッション性能の向上が可能になる。
【００５０】
また、電子制御装置６０は、上記ステップＳＴ２にて肯定判定が為された場合、前段排気熱回収手段１Ａにおける第１クランクシャフト４０の回転数が最大回転数か否か判定する（ステップＳＴ６）。例えば、ここでの最大回転数とは、第１熱交換器２０において時間当たりの最大入熱量になるときの第１クランクシャフト４０の回転数のことをいう。尚、その第１クランクシャフト４０における回転限界の回転数を最大回転数としてもよい。
【００５１】
そして、この電子制御装置６０は、そのステップＳＴ６にて否定判定されたときには前段出力調節手段５１を制御して第１クランクシャフト４０への負荷を軽減させ、この第１クランクシャフト４０の回転数を上昇させる（ステップＳＴ７）。この場合、その第１クランクシャフト４０の回転数は、例えば、予め定めた所定の増加量で上昇させ、本フローチャートの処理を繰り返すことにより徐々に上昇させてもよく、また、一度の処理動作で最大回転数にまで上昇させてもよい。
【００５２】
これにより、第１熱交換器２０の作動ガス通路２２を流れる作動ガスの流動量が増加するので、この第１熱交換器２０においての排気ガスからの時間当たりの入熱量が増加し、排気熱の回収量を増やすことができる。また、かかる第１クランクシャフト４０の回転数制御を実行した場合には、その実行前よりも第１熱交換器２０を通過した排気ガスの温度が低下しているので、その下流に配置されている排気触媒１０１の過剰な温度上昇を抑制し、この排気触媒１０１の熱害による劣化を防止することができる。このように、かかる第１クランクシャフト４０の回転数制御を実行した場合には、燃焼機関のエミッション性能を悪化させることなく、排気触媒１０１の劣化を防止しながら熱エネルギ回収装置における排気熱の回収量を増加させることができる。
【００５３】
この電子制御装置６０は、その後に上記ステップＳＴ１に戻って本フローチャートの処理を繰り返す。
【００５４】
また、電子制御装置６０は、上記ステップＳＴ６にて肯定判定されたときには第１クランクシャフト４０の回転数を最大回転数に保持させたまま（ステップＳＴ８）、上記ステップＳＴ１に戻る。これにより、前段排気熱回収手段１Ａにおいては、排気熱を最も多く回収可能な状態に保たれる。また、第１熱交換器２０を通過した排気ガスの温度を低い状態に保つことができるので、その下流の排気触媒１０１の熱害による劣化を防止し続けることができる。従って、かかる場合には、燃焼機関のエミッション性能を悪化させることなく、排気触媒１０１の劣化を防止しながら熱エネルギ回収装置において排気熱を多量に回収することができる。
【００５５】
このように、本実施例１にあっては、排気触媒１０１の触媒担体温度に応じて前段出力調節手段５１が第１クランクシャフト４０の回転数（換言すれば、出力）を増減させる一方、後段出力調節手段５２が第２クランクシャフト４０の回転数を保持し続けて、前段排気熱回収手段１Ａと後段排気熱回収手段１Ｂとの間の出力比を変更している。即ち、本実施例１にあっては、その間の出力比を排気触媒１０１の触媒担体温度に応じて可変制御する前後段出力比可変手段が前段出力調節手段５１及び後段出力調節手段５２によって構築されている。この前後段出力比可変手段は、触媒担体温度が活性温度に達していないときに前段排気熱回収手段１Ａの出力を低下させるよう出力比を可変制御し、触媒担体温度が活性温度に達しているときに前段排気熱回収手段の出力を増加させるよう出力比を可変制御している。
【００５６】
ところで、後段出力調節手段５２の第２熱交換器２０の容量が大きく、今以上に入熱量を増加させることが可能な場合、電子制御装置６０は、更に後段出力調節手段５２を制御して第２クランクシャフト４０への負荷を軽減させ、この第２クランクシャフト４０の回転数を上昇させてもよい。これにより、後段排気熱回収手段１Ｂでの排気熱の回収量を増加させることができる。従って、かかる第２クランクシャフト４０の回転数制御を上記ステップＳＴ４において実行した場合には、熱エネルギ回収装置全体においての排気熱回収量の減少を少しでも抑えることができ、上記ステップＳＴ８において実行した場合には、熱エネルギ回収装置全体での最大限の排気熱回収量を確保することができる。また、上記ステップＳＴ５，ＳＴ７において実行した場合には、熱エネルギ回収装置全体においての排気熱回収量を増加させることができる。
【００５７】
以上示した如く、本実施例１の熱エネルギ回収装置は、第１クランクシャフト４０の回転数と第２クランクシャフト４０の回転数との比（前段排気熱回収手段１Ａと後段排気熱回収手段１Ｂとの間の出力比）を調節することによって排気触媒１０１が適度な触媒担体温度に制御されるので、燃焼機関のエミッション性能を確保することができると共に、熱害による排気触媒１０１の劣化を防止することができ、更に、そのエミッション性能等を鑑みた上で可能な限り多くの排気熱を回収することができる。即ち、本発明に係る熱エネルギ回収装置によれば、燃焼機関のエミッション性能を確保しつつ、排気触媒の劣化を防止しながら排気熱の回収量を増加させ、前段排気熱回収手段１Ａと後段排気熱回収手段１Ｂとを合わせた全体の出力の増加が可能になる。
【実施例２】
【００５８】
次に、本発明に係る熱エネルギ回収装置の実施例２を図４及び図５に基づいて説明する。
【００５９】
本実施例２の熱エネルギ回収装置は、前述した実施例１における前段排気熱回収手段１Ａと後段排気熱回収手段１Ｂとからなる前後段出力比可変手段を変更したものであり、これに関係するもの以外は実施例１と同様に構成する。
【００６０】
具体的に、本実施例２の前後段出力比可変手段としては、前段排気熱回収手段１Ａと後段排気熱回収手段１Ｂの夫々のクランクシャフト４０の間に設けた変速機を利用する。即ち、本実施例２にあっては、第１クランクシャフト４０の回転数と第２クランクシャフト４０の回転数の比を変速比に応じて調節可能な変速機を前後段出力比可変手段として用意し、その変速比を制御することによって前段排気熱回収手段１Ａと後段排気熱回収手段１Ｂとの間の出力比を可変制御させる。
【００６１】
ここでは、その変速機として図４に示すベルト式無段変速機７０を例に挙げて説明する。このベルト式無段変速機７０には、前段排気熱回収手段１Ａの第１クランクシャフト４０を回転軸とするプライマリプーリ７１と、後段排気熱回収手段１Ｂの第２クランクシャフト４０を回転軸とするセカンダリプーリ７２とが設けられている。
【００６２】
先ず、プライマリプーリ７１は、第１クランクシャフト４０の外周に一体的に配設された固定シーブ７１ａと、この固定シーブ７１ａに対向させて配置され、その第１クランクシャフト４０の外周上を軸線方向に摺動可能な可動シーブ７１ｂとを備えている。これら固定シーブ７１ａと可動シーブ７１ｂとの対向面間には、Ｖ字形状の溝７１ｃが形成されている。
【００６３】
続いて、セカンダリプーリ７２は、第２クランクシャフト４０の外周に一体的に配設された固定シーブ７２ａと、この固定シーブ７２ａに対向させて配置され、その第２クランクシャフト４０の外周上を軸線方向に摺動可能な可動シーブ７２ｂとを備えている。これら固定シーブ７２ａと可動シーブ７２ｂとの対向面間には、Ｖ字形状の溝７２ｃが形成されている。
【００６４】
このベルト式無段変速機７０においては、上記プライマリプーリ７１とセカンダリプーリ７２の夫々のＶ字形状の溝７１ｃ，７２ｃにベルト７３が巻き掛けられており、このベルト７３を介してプライマリプーリ７１の駆動力がセカンダリプーリ７２に伝達される。そのベルト７３としては、多数の金属製の駒と複数本のスチールリングで構成された金属製の無端ベルトであってもよく、ゴム製の無端ベルトであってもよい。
【００６５】
また、このベルト式無段変速機７０においては、そのプライマリプーリ７１側のベルト７３の巻き掛け半径（接触半径）とセカンダリプーリ７２側のベルト７３の巻き掛け半径（接触半径）との比で変速比が決められる。
【００６６】
ここで、このベルト式無段変速機７０は、可動シーブ７１ｂ，７２ｂを回転軸の軸線方向に摺動させて溝７１ｃ，７２ｃの幅を変化させることによって、夫々の巻き掛け半径を無段階に変化させ、これにより変速比を無段階に変えるものである。
【００６７】
そこで、このベルト式無段変速機７０には、プライマリプーリ７１の溝幅を変化させて変速比を変化させる図４に示す変速比変更手段７４が設けられている。この変速比変更手段７４は、プライマリプーリ７１の可動シーブ７１ｂを軸線方向に摺動させる為の機構（可動シーブ摺動機構）であり、例えば、駆動源たる電動モータや油圧モータ等のモータと、このモータの駆動力を可動シーブ７１ｂに伝達する歯車群等で構成される。
【００６８】
また、このベルト式無段変速機７０には、その変速比変更手段７４の動作を制御する制御手段が設けられている。本実施例２にあっては、その制御手段を電子制御装置６０の一機能として設ける。
【００６９】
ところで、本実施例２にあっては、このベルト式無段変速機７０の変速比を小さくすることによって第１クランクシャフト４０の回転数が低下すると共に第２クランクシャフト４０の回転数が上昇し、その変速比を大きくすることによって第１クランクシャフト４０の回転数が上昇すると共に第２クランクシャフト４０の回転数が低下するものとして設定する。
【００７０】
以下に、本実施例２の熱エネルギ回収装置の動作について図５のフローチャートに基づき詳述する。
【００７１】
先ず、電子制御装置６０は、実施例１の場合と同様に、温度センサ１０２の検出信号から排気触媒１０１の触媒担体温度を検出し（ステップＳＴ１１）、その触媒担体温度が活性温度以上か否かについて判定する（ステップＳＴ１２）。
【００７２】
ここで、この電子制御装置６０は、そのステップＳＴ１２にて否定判定が為された場合、ベルト式無段変速機７０を最小変速比に設定しているか否か（即ち、前段排気熱回収手段１Ａにおける第１クランクシャフト４０の回転数が最小回転数か否か）判定する（ステップＳＴ１３）。
【００７３】
そして、この電子制御装置６０は、そのステップＳＴ１３にて否定判定されたときには変速比変更手段７４を制御してベルト式無段変速機７０の変速比を小さくする（ステップＳＴ１４）。この場合、その変速比は、例えば、排気触媒１０１の触媒担体温度と活性温度の乖離幅に応じて活性温度に達することが可能な値へと小さくしてもよく、また、予め定めた所定の減少量で小さくし、本フローチャートの処理を繰り返すことにより活性温度に達することが可能な値まで徐々に小さくしてもよい。更に、その変速比は、一度の処理動作で最小変速比にしてもよい。
【００７４】
これにより、本実施例２の熱エネルギ回収装置においては、第１クランクシャフト４０の回転数が低下すると共に第２クランクシャフト４０の回転数が上昇して、第１熱交換器２０の作動ガス通路２２を流れる作動ガスの流動量が減少すると共に第２熱交換器２０の作動ガス通路２２を流れる作動ガスの流動量が増加する。即ち、この熱エネルギ回収装置においては、かかる変速比制御を行うことにより、前段排気熱回収手段１Ａの出力を低下させると共に後段排気熱回収手段１Ｂの出力を上昇させる。
【００７５】
これが為、かかる変速比制御を実行した場合には、第１熱交換器２０における排気ガスからの時間当たりの入熱量が減少して、かかる変速比制御の実行前よりも高温の排気ガスを排気触媒１０１に流入させることができる。従って、燃焼機関においては、その排気触媒１０１の触媒担体温度が上昇し易くなり、排気ガス中のＨＣ成分の浄化促進に伴いエミッション性能を向上させることができる。一方、かかる変速比制御を実行した場合には、前段排気熱回収手段１Ａでの排気熱の回収量は減少してしまうが、第２熱交換器２０においての作動ガスの流動量の増加により当該第２熱交換器２０における排気ガスからの時間当たりの入熱量が増加するので、後段排気熱回収手段１Ｂにおいて排気熱の回収量を増加させることができる。従って、この熱エネルギ回収装置においては、その全体での排気熱回収量の減少を少しでも抑えることができる。このように、かかる変速比制御を実行した場合には、燃焼機関のエミッション性能を向上させつつ熱エネルギ回収装置における排気熱の回収量を確保することができる。
【００７６】
この電子制御装置６０は、その後に上記ステップＳＴ１１に戻って本フローチャートの処理を繰り返す。
【００７７】
一方、電子制御装置６０は、上記ステップＳＴ１３にて肯定判定されたときにはベルト式無段変速機７０の変速比を最小変速比に保持させたまま（ステップＳＴ１５）、上記ステップＳＴ１１に戻る。
【００７８】
これにより、熱エネルギ回収装置においては、第１クランクシャフト４０の最小回転数での回転と第２クランクシャフト４０の最大回転数での回転が継続され、第１熱交換器２０の作動ガス通路２２には最小流動量の作動ガスが流れ続けると共に第２熱交換器２０の作動ガス通路２２には最大流動量の作動ガスが流れ続ける。即ち、この熱エネルギ回収装置においては、かかる場合に、前段排気熱回収手段１Ａを最低出力で作動させると共に後段排気熱回収手段１Ｂを最高出力で作動させる。
【００７９】
これが為、かかる場合には、第１熱交換器２０における時間当たりの排気ガスからの入熱量を最小限に保つことができるので、排気触媒１０１の触媒担体温度を最も効率良く上昇させることができ、早い段階でエミッション性能を確保することができる。一方、かかる場合には、前段排気熱回収手段１Ａでの排気熱の回収量は最も少ないが、第２熱交換器２０において最大流動量の作動ガスを流し続けることで当該第２熱交換器２０における排気ガスからの時間当たりの入熱量を最大限に保つことができるので、後段排気熱回収手段１Ｂにおいての排気熱の回収量を最大にすることができる。従って、この熱エネルギ回収装置においては、その全体での排気熱回収量の減少を少しでも抑えることができる。このように、かかる場合においても、燃焼機関のエミッション性能を向上させつつ熱エネルギ回収装置における排気熱の回収量を確保することができる。
【００８０】
また、電子制御装置６０は、上記ステップＳＴ１２にて肯定判定が為された場合、ベルト式無段変速機７０を最大変速比に設定しているか否か（即ち、前段排気熱回収手段１Ａにおける第１クランクシャフト４０の回転数が最大回転数か否か）判定する（ステップＳＴ１６）。
【００８１】
そして、この電子制御装置６０は、そのステップＳＴ１６にて否定判定されたときには変速比変更手段７４を制御してベルト式無段変速機７０の変速比を大きくする（ステップＳＴ１７）。この場合、その変速比は、例えば、予め定めた所定の値で大きくし、本フローチャートの処理を繰り返すことにより徐々に大きくしてもよく、また、一度の処理動作で最大変速比にしてもよい。
【００８２】
これにより、本実施例２の熱エネルギ回収装置においては、第１クランクシャフト４０の回転数が上昇すると共に第２クランクシャフト４０の回転数が低下して、第１熱交換器２０の作動ガス通路２２を流れる作動ガスの流動量が増加すると共に第２熱交換器２０の作動ガス通路２２を流れる作動ガスの流動量が減少する。即ち、この熱エネルギ回収装置においては、かかる変速比制御を行うことにより、前段排気熱回収手段１Ａの出力を上昇させると共に後段排気熱回収手段１Ｂの出力を低下させる。
【００８３】
これが為、かかる変速比制御を実行した場合には、第１熱交換器２０における排気ガスからの時間当たりの入熱量が増加して、前段排気熱回収手段１Ａでの排気熱の回収量を増加させることができる。ここで、後段排気熱回収手段１Ｂにおいては作動ガスの流動量の減少により排気熱の回収量が減ってしまうが、前段排気熱回収手段１Ａにおいては、後段排気熱回収手段１Ｂよりも相対的に高温の排気ガスから作動ガスへと入熱されるので、後段排気熱回収手段１Ｂに対して多くの排気熱を回収することができる。従って、この熱エネルギ回収装置においては、かかる変速比制御を実行することによって、その全体での排気熱の回収量を増加させることができる。
【００８４】
また、かかる変速比制御を実行した場合には、その実行前よりも第１熱交換器２０を通過した排気ガスの温度が低下しているので、その下流に配置されている排気触媒１０１の過剰な温度上昇を抑制し、この排気触媒１０１の熱害による劣化を防止することができる。
【００８５】
このように、かかる変速比制御を実行した場合には、燃焼機関のエミッション性能を保ちつつ、排気触媒１０１の劣化を防止しながら熱エネルギ回収装置における排気熱の回収量を増加させることができる。
【００８６】
この電子制御装置６０は、その後に上記ステップＳＴ１１に戻って本フローチャートの処理を繰り返す。
【００８７】
また、電子制御装置６０は、上記ステップＳＴ１６にて肯定判定されたときにはベルト式無段変速機７０の変速比を最大変速比に保持させたまま（ステップＳＴ１８）、上記ステップＳＴ１１に戻る。
【００８８】
これにより、熱エネルギ回収装置においては、第１クランクシャフト４０の最大回転数での回転と第２クランクシャフト４０の最小回転数での回転が継続され、第１熱交換器２０の作動ガス通路２２には最大流動量の作動ガスが流れ続けると共に第２熱交換器２０の作動ガス通路２２には最小流動量の作動ガスが流れ続ける。即ち、この熱エネルギ回収装置においては、かかる場合に、前段排気熱回収手段１Ａを最高出力で作動させると共に後段排気熱回収手段１Ｂを最低出力で作動させる。
【００８９】
これが為、かかる場合には、第１熱交換器２０における時間当たりの排気ガスからの入熱量を最大限に保つことができるので、前段排気熱回収手段１Ａにおいては最も回収量の多い状態で排気熱を回収し続けることができる。ここで、かかる場合の後段排気熱回収手段１Ｂにおいては排気熱の回収量が最も少ない状態であるが、上述したステップＳＴ１７のときと同様に、前段排気熱回収手段１Ａが後段排気熱回収手段１Ｂよりも多量の排気熱を回収することができる。従って、この熱エネルギ回収装置においては、かかる場合に、その全体での排気熱の回収量を最大限にまで増加させることができる。
【００９０】
また、かかる場合には、第１熱交換器２０を通過した排気ガスの温度を低い状態に保つことができるので、その下流の排気触媒１０１の熱害による劣化を防止し続けることができる。
【００９１】
このように、かかる場合には、燃焼機関のエミッション性能を保ちつつ、排気触媒１０１の劣化を防止しながら熱エネルギ回収装置における排気熱を最大限回収することができる。
【００９２】
以上示した如く、本実施例２の熱エネルギ回収装置においても、前述した実施例１と同様に、燃焼機関のエミッション性能を確保しつつ、排気触媒の劣化を防止しながら排気熱の回収量を増加させ、前段排気熱回収手段１Ａと後段排気熱回収手段１Ｂとを合わせた全体の出力の増加が可能になる。
【００９３】
ここで、上述したベルト式無段変速機７０については、その変速比を小さくすることによって第１クランクシャフト４０の回転数が上昇すると共に第２クランクシャフト４０の回転数が低下し、その変速比を大きくすることによって第１クランクシャフト４０の回転数が低下すると共に第２クランクシャフト４０の回転数が上昇するものとして設定することができる。従って、かかるベルト式無段変速機７０を用いる場合には、上述したフローチャートにおける変速比の大小とクランクシャフト４０の回転数の高低については夫々逆のものとして読み替える。
【産業上の利用可能性】
【００９４】
以上のように、本発明に係る熱エネルギ回収装置は、燃焼機関の排気熱を回収する際に、その燃焼機関のエミッション性能を確保しつつ、排気触媒の劣化を防止しながら排気熱の回収量を増加させる技術に有用である。
【図面の簡単な説明】
【００９５】
【図１】本発明に係る熱エネルギ回収装置の実施例１の構成を示す図である。
【図２−１】ブレイトンサイクル機関について説明するＰ−Ｖ線図である。
【図２−２】ブレイトンサイクル機関について説明するＴ−ｓ線図である。
【図３】実施例１の熱エネルギ回収装置の動作を説明するフローチャートである。
【図４】本発明に係る熱エネルギ回収装置の実施例２の構成を示す図である。
【図５】実施例２の熱エネルギ回収装置の動作を説明するフローチャートである。
【符号の説明】
【００９６】
１Ａ  前段排気熱回収手段
１Ｂ  後段排気熱回収手段
１０  圧縮機（第１圧縮機，第２圧縮機）
１４  作動ガス吸入通路
１５  作動ガス排出通路
２０  熱交換器（第１熱交換器，第２熱交換器）
２１  高温流体通路
２２  作動ガス通路
３０  膨張機（第１膨張機，第２膨張機）
３４  作動ガス吸入通路
３５  作動ガス排出通路
４０  クランクシャフト｛第１クランクシャフト（第１出力軸），第２クランクシャフト（第２出力軸）｝
５１  前段出力調節手段
５２  後段出力調節手段
６０  電子制御装置（制御手段）
７０  ベルト式無段変速機
７４  変速比変更手段
１００  排気経路
１０１  排気触媒
１０２  温度センサ
【図１】
2007291993.tif 000003
【図２−１】
2007291993.tif 000004
【図２−２】
2007291993.tif 000005
【図３】
2007291993.tif 000006
【図４】
2007291993.tif 000007
【図５】
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